伶仃洋河口泥沙絮凝特征及影響因素研究

田楓,歐素英*,楊昊,劉鋒

(1.中山大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院 河口海岸研究所, 廣東 廣州 510006)

伶仃洋河口泥沙絮凝特征及影響因素研究

田楓1,歐素英1*,楊昊1,劉鋒1

(1.中山大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院 河口海岸研究所, 廣東 廣州 510006)

泥沙絮凝對河口細(xì)顆粒泥沙運(yùn)動(dòng)過程起著極其重要的作用。本文通過LISST-100激光粒度儀等儀器實(shí)測伶仃洋河口2013年洪季懸浮泥沙絮凝體現(xiàn)場粒徑及水動(dòng)力、泥沙條件，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室懸沙粒徑分析，研究大小潮期間伶仃洋河口泥沙絮凝特征，探討紊動(dòng)剪切強(qiáng)度、含沙量、鹽度分層及波浪等因素對伶仃洋河口泥沙絮凝的影響。結(jié)果表明：伶仃洋河口水體中現(xiàn)場粒徑平均值為148.53 μm，大于實(shí)驗(yàn)室懸沙分散粒徑36.74 μm，河口絮凝現(xiàn)象明顯；沉速與有效密度、粒徑呈正相關(guān)，絮團(tuán)平均有效密度為153.49 kg/m3，平均沉速達(dá)1.13 mm/s；小潮時(shí)絮團(tuán)平均粒徑大于大潮，垂向上表底層絮團(tuán)粒徑小、中層大，中底層絮團(tuán)沉速大于表層。伶仃洋河口水動(dòng)力、泥沙條件是影響其泥沙絮凝的重要因素，低剪切強(qiáng)度(小于5 s-1)、低含沙量(小于50 mg/L)及高體積濃度有利于細(xì)顆粒泥沙之間的相互碰撞，促進(jìn)絮凝作用；當(dāng)剪切強(qiáng)度與顆粒間碰撞強(qiáng)度高于絮團(tuán)所能承受的強(qiáng)度時(shí)，絮團(tuán)易破碎分解成小絮團(tuán)或更細(xì)的泥沙顆粒；伶仃洋河口鹽度層化引起的泥沙捕獲現(xiàn)象增大中層泥沙體積濃度，有利于中層絮凝體的發(fā)育；觀測期相對較大的波浪增強(qiáng)水體紊動(dòng)，增大了水體細(xì)顆粒泥沙的碰撞幾率，表層絮團(tuán)粒徑隨波高峰值的出現(xiàn)而增大。

伶仃洋；泥沙絮凝；沉速；鹽度層化；波浪；紊動(dòng)剪切強(qiáng)度

1 引言

河口與淤泥質(zhì)海岸水域中含有大量黏性細(xì)顆粒泥沙，受動(dòng)力、生物有機(jī)質(zhì)和化學(xué)物質(zhì)的影響，細(xì)顆粒泥沙易發(fā)生絮凝，形成大粒徑、低密度和高沉速的絮凝體，直接影響河口泥沙輸運(yùn)沉降過程[1]。同時(shí)，黏性細(xì)顆粒泥沙作為河口有機(jī)物、重金屬的重要載體，其絮凝特征也影響著河口海岸水體的生態(tài)動(dòng)力過程。

黏性泥沙絮凝機(jī)理十分復(fù)雜，受到多種因素的影響，包括：(1)泥沙屬性，如泥沙礦物組成、粒度組成、顆粒表面電荷等；(2)環(huán)境條件，如水體鹽度、pH值、溫度、有機(jī)物等；(3)水流條件，如湍流強(qiáng)度等[2—7]。水流紊動(dòng)對黏性泥沙絮凝有雙重作用[8]，水流一方面能增加泥沙顆粒之間相互碰撞的幾率，促進(jìn)泥沙絮凝作用，另一方面水流又具有剪切作用，抑制了大絮團(tuán)的生長絮凝，促使絮團(tuán)破碎。鹽度對泥沙絮凝影響極為復(fù)雜，張志忠等[9]通過試驗(yàn)表明，最適宜泥沙絮凝的鹽度區(qū)間為3～15；關(guān)許為等[10]認(rèn)為當(dāng)長江河口鹽度較小時(shí)，絮凝作用隨著鹽度增大而增強(qiáng)，但當(dāng)鹽度超過一定值后，鹽度對絮凝作用的影響并不明顯。含沙量也是影響泥沙絮凝的主要因素，Manning和Dyer[11]及Manning等[12]認(rèn)為在低含沙量時(shí)，含沙量增高有利于絮凝作用，在超過一定值后，隨著含沙量繼續(xù)增高，絮團(tuán)粒徑反而減小。不同河口之間動(dòng)力及生化因素的差異，導(dǎo)致各河口的絮凝特征(絮團(tuán)結(jié)構(gòu)大小、沉速、有效密度等)的時(shí)空變化。針對長江河口單一或多要素的細(xì)顆粒泥沙絮凝影響的室內(nèi)試驗(yàn)已有許多成果[13—15]，表明水溫、鹽度、流速等因素是影響室內(nèi)絮凝試驗(yàn)的重要因素；長江河口現(xiàn)場觀測的絮團(tuán)直徑在10～800 μm之間，有效密度變化范圍為5～1 600 kg/m3，絮團(tuán)沉速變化在0.01～20 mm/s之間[16—17]；絮凝特征在多要素影響下變化復(fù)雜，珠江磨刀門河口區(qū)洪枯季懸浮泥沙絮凝現(xiàn)象顯著，實(shí)測絮團(tuán)粒徑范圍為13.8～273.8 μm，有效密度與沉速均小于長江河口[18—19]。

伶仃洋河口是珠江河口區(qū)最大的一個(gè)溺谷河口灣，每年約有一半以上的水沙通過東四口門(虎門、蕉門、洪奇門、橫門)進(jìn)入該河口灣，受其喇叭狀河口形態(tài)及水下獨(dú)特的三灘兩槽地形影響(圖1)，伶仃洋河口的沉積動(dòng)力特征極為復(fù)雜。本文選擇夏季鹽水楔發(fā)育的內(nèi)伶仃島附近西槽進(jìn)行大小潮定點(diǎn)觀測，結(jié)合室內(nèi)粒徑分析，擬對伶仃洋河口泥沙絮凝特征進(jìn)行初步研究，探討紊動(dòng)剪切強(qiáng)度、含沙量、鹽度分層及波浪等因素對伶仃洋河口泥沙絮凝的影響。

圖1 伶仃洋水深地形及觀測點(diǎn)Fig.1 Topography of Lingdingyang Estuary and the sample site location

2 資料與研究方法

2.1 現(xiàn)場觀測

2013年7月22-29日，在伶仃洋河口中部進(jìn)行定點(diǎn)水文泥沙觀測，觀測期23-25日潮型為大潮，28-29日潮型為小潮，由于熱帶低壓逼近珠江河口，期間停測一個(gè)潮周期(26日)，觀測位置如圖1所示。采用LISST-100現(xiàn)場激光粒度儀、OBS-3A、CTD與ADP對垂向水體懸浮物現(xiàn)場粒徑、含沙量、鹽度與流速進(jìn)行逐時(shí)觀測，波浪儀用于記錄實(shí)時(shí)波浪要素。并于整點(diǎn)時(shí)刻對整層水體分6層采水樣，用作室內(nèi)含沙量與鹽度標(biāo)定，同時(shí)在一個(gè)潮周期內(nèi)的4個(gè)特征時(shí)刻采集雙樣，用于室內(nèi)泥沙分散粒徑實(shí)驗(yàn)。

2.2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

水體含沙量測定采用濾膜抽濾后烘干稱量的方法，得到的含沙量與OBS濁度數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定。測量懸沙分散粒徑的樣品預(yù)處理方法：根據(jù)《海洋調(diào)查規(guī)范》，加入體積分?jǐn)?shù)大于30%的雙氧水滴至樣品剛好被全部淹沒，待不再冒泡后加入體積分?jǐn)?shù)為36%～38%的鹽酸約1 mL，靜置至不再冒泡，后再用水反復(fù)沖洗、稀釋，加入分散劑后利用激光粒度儀進(jìn)行測試。

2.3 參數(shù)計(jì)算方法

根據(jù)Pejrup和Mikkelsen[20]的研究，本文采用剪切速率G來表征水體剪切強(qiáng)度：

(1)

式中，G是剪切速率(單位：s-1)；u*是摩阻流速(單位：m/s)；D為水深(單位：m)；υ為動(dòng)力黏度(kinematicviscosity，取10-6)；卡門常數(shù)κ取0.4。

絮團(tuán)現(xiàn)場有效密度計(jì)算方法如下[21]:

(2)

式中，SSC和VC分別指對應(yīng)水層泥沙質(zhì)量濃度(單位:kg/m3)和體積濃度(單位:μL/L)，可由OBS與LISST觀測得到。

絮團(tuán)沉速采用如下公式計(jì)算：

(3)

式中，Dm為顆粒平均粒徑(單位：μm)；Δρ為有效密度；μ為動(dòng)力黏滯系數(shù)。

表征水體垂向結(jié)構(gòu)的分層系數(shù)計(jì)算公式如下：

(4)

若ds值大于1，則代表垂向分層顯著。

3 結(jié)果分析

3.1 動(dòng)力特征

圖2為觀測期間內(nèi)伶仃島附近各動(dòng)力要素的變化。伶仃洋河口中段靠西槽附近，受地形約束，漲潮流沿航道走向向北流動(dòng)，落潮流向南流動(dòng)，大潮落急流速略大于漲急流速，最大流速超過1.5 m/s，且漲落潮平均流速均大于小潮，垂向上最大流速均出現(xiàn)在上層(圖2a)。夏季，大潮漲潮時(shí)該點(diǎn)底層鹽度超過20，表層鹽度約13，最大鹽度分層系數(shù)為0.8，屬于部分混合型；小潮期間，潮流速減小，表底層鹽度均小于大潮，但鹽度分層大于大潮期間，最大鹽度分層系數(shù)為1.4，如圖2b所示。大潮漲急及落急后期，含沙量增大，底層含沙量超過200 mg/L，小潮時(shí)因潮動(dòng)力偏弱，含沙量明顯偏小，觀測期間含沙量小于60 mg/L(圖2c)。

圖2 伶仃洋大小潮水動(dòng)力泥沙特征Fig.2 Hydrodynamic and sediment characteristic at Lingdingyang Estuary during spring and neap tidesa.流速；b.鹽度；c.體積濃度；d.含沙量；e.平均粒徑a.Velocity; b.salinity; c.volume concentration; d.mass concentration; e.mean floc size

7月22—26日的波浪觀測顯示(圖3)，伶仃洋河口內(nèi)因島嶼遮蔽，波浪動(dòng)力相對較弱，常態(tài)下內(nèi)伶仃附近有效波高很少超過0.1 m(22-24日)，但在熱帶低壓形成并迫近珠江口時(shí)(25-26日)，實(shí)測風(fēng)速由2～3 m/s增至6～8 m/s，因風(fēng)速增大及外海較大風(fēng)浪的傳入，觀測位置的有效波高增大至0.4 m，如圖3所示。

圖3 2013年7月22-26日的實(shí)測有效波高Fig.3 Observed significant wave height during 22-26 of July, 2013

3.2 絮團(tuán)特征

LISSIT現(xiàn)場觀測顯示，在多動(dòng)力因素的影響下，內(nèi)伶仃島附近水體中絮團(tuán)平均粒徑隨時(shí)間變化顯著(圖2e)，懸沙在漲落潮的不同時(shí)間段發(fā)生了程度不同的絮凝現(xiàn)象。選擇伶仃洋河口不規(guī)則半日潮漲落過程中的8個(gè)特征時(shí)刻，即漲急、漲平、落急、落平時(shí)刻(圖4)，比較各特征時(shí)刻LISST現(xiàn)場觀測粒度和室內(nèi)經(jīng)過攪拌分散后粒度的累積頻率分布(圖4a～h)，可以看出，實(shí)驗(yàn)室分散后的細(xì)顆粒泥沙其平均粒徑僅為36.74 μm，粒徑大于100 μm的懸沙組分出現(xiàn)頻率低，多出現(xiàn)在底層或漲急、落急時(shí)刻，與底層粗顆粒床沙起動(dòng)懸浮有關(guān)；而LISST現(xiàn)場實(shí)測粒度分布明顯右偏于室內(nèi)分散粒度，原因在于細(xì)顆粒泥沙在多種環(huán)境因素下絮凝，形成大小不一的絮團(tuán)，絮團(tuán)粒徑明顯大于分散后的單顆粒泥沙粒徑，特征時(shí)刻現(xiàn)場平均粒徑為165.75 μm，比分散粒徑大一個(gè)量級，大潮表層、中層、底層絮團(tuán)平均粒徑為117.47 μm、157.92 μm、119.29 μm；小潮表層、中層、底層平均粒徑為86.18 μm、217.35 μm、142.97 μm，與大潮的絮團(tuán)粒徑相比，小潮中、底層的絮團(tuán)粒徑更大，絮凝作用更強(qiáng)。

圖4中，不同特征時(shí)刻其絮凝特征不同。圖4d～f為漲急到漲平的過程，也體現(xiàn)了大絮團(tuán)受剪切破碎，平均粒徑由大到小的過程；在漲平(圖4f)時(shí)，水流平均流速小于0.3 m/s，水流平緩且泥沙含量太少不易絮凝體發(fā)育(圖2a，2d)。在漲落急時(shí)刻(圖4a，4c，4g)，水流紊動(dòng)強(qiáng)且含沙量高，大絮團(tuán)易分解成小絮團(tuán)。

在大多數(shù)憩流時(shí)刻，絮凝體發(fā)育明顯，特別在水體中底層；在急流時(shí)刻，大絮團(tuán)(大于300 μm)易破碎分解成小絮團(tuán)(200 μm)，絮凝作用不如憩流時(shí)刻明顯。同時(shí)，特征時(shí)刻垂向不同水層的絮團(tuán)組成也有所差異，在發(fā)生絮凝現(xiàn)象的水體中，絮團(tuán)粒徑垂向分布大致為中層大，表底層小的規(guī)律；中底層發(fā)生明顯的絮凝現(xiàn)象多出現(xiàn)在憩流時(shí)刻，絮團(tuán)粒徑大于200 μm(圖2e，圖4h)。

3.3 絮團(tuán)沉速及有效密度特征

泥沙沉速與有效密度是影響泥沙在水體中輸運(yùn)沉積的重要參數(shù)，由于河口中黏性細(xì)顆粒泥沙的絮凝作用，泥沙形成絮團(tuán)后沉速遠(yuǎn)大于單一顆粒形式存在的泥沙沉速。基于實(shí)測體積濃度等數(shù)據(jù)，利用式(2)和式(3)分別計(jì)算絮團(tuán)不同時(shí)刻、垂向不同位置的有效密度及沉速，結(jié)果如圖5所示。可以看出，漲落潮不同階段，絮團(tuán)有效密度有明顯差異，漲潮期有效密度偏大，表層、中層、底層絮團(tuán)最大有效密度分別為652.86 kg/m3、882.5 kg/m3、986.65 kg/m3，落潮期間有效密度偏小，落急時(shí)刻有效密度極低，表層、中層、底層潮期平均有效密度為135 kg/m3、142.89 kg/m3、140.67 kg/m3；垂向上，中層的有效密度略大于表底層；相對于其他一些河口觀測計(jì)算的有效密度[24—25]，伶仃洋河口有效密度在一個(gè)潮周期內(nèi)的變動(dòng)幅度更大。同時(shí)，隨著絮團(tuán)平均粒徑進(jìn)一步增大，受到絮團(tuán)空隙率等因素影響，絮團(tuán)有效密度會逐漸減小。

絮團(tuán)沉速受絮團(tuán)粒徑與有效密度的影響，在一個(gè)潮周期內(nèi)，伶仃洋河口絮團(tuán)沉速的變動(dòng)幅度同樣較大，約在0.005～17.1 mm/s之間變動(dòng)，漲潮大部分時(shí)期絮凝體沉速較大，表層、中層、底層最大沉速分別為8.18 mm/s、17.08 mm/s、13.58 mm/s，漲平時(shí)相對比落憩時(shí)沉速稍大，說明憩流時(shí)絮團(tuán)易落淤；落潮期絮凝沉速小，特別是落急時(shí)刻，絮凝沉速最小，與單個(gè)細(xì)顆粒泥沙的沉速一致；表層、中層、底層潮期平均的絮凝沉速分別為0.77 mm/s、1.32 mm/s、1.17 mm/s。垂向上，水體中層的絮凝沉速大于表、底層，如圖5所示。

絮團(tuán)沉速與絮團(tuán)有效密度、平均粒徑成正相關(guān)，絮凝沉速隨絮團(tuán)粒徑增大而增大，隨絮團(tuán)有效密度的增加而增加。由于內(nèi)伶仃島附近觀測到漲潮期間中底層絮團(tuán)粒徑較大，且懸沙含量高，計(jì)算得到的絮團(tuán)有效密度大。

圖4 漲落潮特征時(shí)刻(a～h)及其對應(yīng)的現(xiàn)場與室內(nèi)粒度累計(jì)頻率分布曲線Fig.4 Representative accumulative size distributions of dispersed particles and flocs and corresponding water level(a-h)

圖5 大小潮表中底層絮團(tuán)有效密度、沉速、平均粒徑時(shí)間變化圖Fig.5 Temporal variation of vertical floc size, effective density and settling velocity during spring and neap tides

4 討論

在湍動(dòng)水體中，絮凝現(xiàn)象的產(chǎn)生必須同時(shí)具備兩個(gè)條件：(1)絮凝體的電化學(xué)反應(yīng)和顆粒之間的“碰撞”；(2)絮凝體所受剪切力小于其抗剪強(qiáng)度[23]。河口水流剪切強(qiáng)度、鹽度、含沙量是影響其泥沙絮凝的主要物理因素。伶仃洋河口水流動(dòng)力、鹽淡水混合、含沙量之間相互作用，使得各因素對河口泥沙絮凝的影響極為復(fù)雜。

4.1 水流剪切強(qiáng)度及含沙量的影響

如上所述，河口泥沙的絮凝與漲落潮流速的大小有明顯的關(guān)系；流速大，水流的剪切強(qiáng)度強(qiáng)，泥沙絮凝作用減弱。采用式(1)計(jì)算伶仃洋河口不同水層、不同時(shí)刻的水流剪切強(qiáng)度并進(jìn)行垂向平均。結(jié)果表明(圖6b)，觀測期間，水體剪切強(qiáng)度在落急、漲急時(shí)最大，可達(dá)40 s-1，在憩流時(shí)最小。

水體剪切強(qiáng)度既直接影響泥沙的絮凝，同時(shí)也通過改變水體懸沙含量來影響絮凝過程。隨著水體剪切強(qiáng)度增大，水流湍動(dòng)剪切增強(qiáng)，底床泥沙侵蝕再懸浮，水體懸浮泥沙濃度增大，特別是近底懸浮泥沙濃度增大(圖6a，圖6b)。對水流剪切強(qiáng)度、含沙量與絮團(tuán)平均粒徑的變化進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果如圖7所示。從圖7a中可以看出，大絮團(tuán)往往出現(xiàn)在剪切強(qiáng)度小于5 s-1時(shí)間段，此時(shí)水體有較小的流速，細(xì)顆粒泥沙在水流湍動(dòng)中碰撞，易黏結(jié)形成絮團(tuán)；在漲急落急時(shí)，水流流速大，絮團(tuán)平均粒徑隨著剪切強(qiáng)度的增大而減小，說明此時(shí)水體剪切強(qiáng)度高于絮團(tuán)抗剪切強(qiáng)度，絮團(tuán)易被剪切分解成小絮團(tuán)或細(xì)顆粒泥沙。從圖6及圖7中可以看出，水體懸沙濃度低于50 mg/L時(shí)，隨著含沙量增大，水中細(xì)顆粒泥沙相互碰撞的幾率增加，更易形成絮團(tuán)；但隨著懸沙濃度繼續(xù)增大，顆粒之間的碰撞強(qiáng)度超過了絮團(tuán)強(qiáng)度，絮團(tuán)破碎，絮團(tuán)平均粒徑因而減小。總體來說，低剪切強(qiáng)度與低懸沙量利于細(xì)顆粒間的相互碰撞，促進(jìn)絮團(tuán)的生長，但若流速過小(小于0.2 m/s)，細(xì)顆粒泥沙之間相互作用弱，抑制了絮凝體的作用(圖13)；在高剪切強(qiáng)度與高含沙量時(shí)，絮團(tuán)易受到水流湍動(dòng)剪切破碎，絮凝體分解。

圖6 觀測期間剪切強(qiáng)度、絮團(tuán)粒徑及含沙量的變化Fig.6 Temporal variation of observed turbulent shear, floc size and suspended sediment mass concentration

圖7 絮團(tuán)平均粒徑與剪切強(qiáng)度、含沙量的相關(guān)性分析Fig.7 Correlation analysis between mean floc size and turbulent shear, suspended sediment concentration

圖8 絮團(tuán)平均粒徑與分層系數(shù)、體積濃度時(shí)間變化圖Fig.8 Temporal variation of mean floc size, coefficient of salinity-induced stratification and volume concentration

圖9 垂向鹽度分布與懸沙體積濃度、絮團(tuán)粒徑的對應(yīng)關(guān)系Fig.9 Vertical distribution of salinity, volume concentration and corresponding floc size at significant times

4.2 鹽度分層對絮凝的影響

對比圖2d和圖2b發(fā)現(xiàn)，泥沙體積濃度在鹽度分層明顯的漲平前后突然增大，最大可達(dá)2 000 μL/L以上，中層出現(xiàn)懸浮泥沙捕獲現(xiàn)象[22]，多數(shù)時(shí)刻垂向上表現(xiàn)為表層小、中底層大。

比較鹽度分層系數(shù)與絮團(tuán)垂向平均粒徑隨時(shí)間的變化(圖8)，在大潮階段，當(dāng)鹽度分層系數(shù)小于0.4時(shí)，水體混合較好，體積濃度低，絮團(tuán)平均粒徑在100 μm以下，此時(shí)絮凝作用不明顯；當(dāng)鹽度分層系數(shù)大于0.5時(shí)，水體屬于部分混合型，此時(shí)絮團(tuán)平均粒徑增大，絮凝作用增強(qiáng)。在小潮階段，水體分層現(xiàn)象更加顯著，在一個(gè)潮周期內(nèi)，絮團(tuán)平均粒徑、體積濃度隨著分層系數(shù)的變化明顯，高度分層時(shí)，體積濃度增大，絮團(tuán)平均粒徑增大。

對比鹽度不同分層狀況的垂向體積濃度和絮團(tuán)粒徑，可以看出，在鹽度垂向混合均勻的時(shí)刻(圖9b)，垂向體積濃度小，且表中底層變化小(圖9a)，絮團(tuán)粒徑垂向分布均在200 μm下(圖9c)；在鹽度高度分層的時(shí)刻(圖9e，圖9h)，表底層水體的體積濃度小，大致保持在500 μL/L下，中層水體的體積濃度突然增大，最大可達(dá)4 000 μL/L以上(圖9d，圖9g)，對應(yīng)的絮團(tuán)粒徑也呈現(xiàn)表底層小，中層大的分布規(guī)律(圖9f，圖9i)。鹽度分層顯著時(shí)，水體中層的泥沙捕獲現(xiàn)象愈發(fā)明顯，原因在于鹽度分層引起中層水體泥沙體積濃度增大，細(xì)顆粒泥沙碰撞幾率增大，因此易發(fā)生泥沙絮凝，形成大絮凝體；在表底層或混合層的水層，體積濃度小，細(xì)顆粒泥沙不易發(fā)生絮凝作用，只能形成較小的絮團(tuán)。

4.3 河口波浪對泥沙絮凝的影響

波浪既可以加強(qiáng)水體的紊動(dòng)，又可以通過掀沙引起河口水體含沙量的變化。圖10為該觀測位置的波能與絮團(tuán)粒徑的比較，從中可以看出，波能小于50 J/m2時(shí)，波浪對絮凝作用很小；隨著波高逐漸增大，波能的大、小峰值基本對應(yīng)著表層絮團(tuán)粒徑的峰值。由于觀測點(diǎn)水深較深，其波浪底應(yīng)力量級為10-2N/m2，掀沙作用不明顯，說明較強(qiáng)的波浪增強(qiáng)了水體紊動(dòng)，增加了泥沙顆粒之間碰撞幾率，促進(jìn)絮團(tuán)的發(fā)育。

圖10 2013年7月22-26日波能及絮團(tuán)粒徑的變化比較Fig.10 Comparison of observed wave energy and floc size at upper water during 22-26 of July，2013

4.4 大小潮絮凝動(dòng)力差異

在眾多影響泥沙絮凝體發(fā)育特征的因素中，有不少因素是相互制約相互影響，在不同潮型的不同特征時(shí)刻，其絮凝主導(dǎo)因素也有所差別。如圖11，在大潮落憩時(shí)(22.79日)，水流弱且垂向鹽度混合較均勻，水體含沙量少，表層絮凝體發(fā)育好于底層，與表層泥沙體積濃度大有關(guān)；漲急時(shí)(22.83日)水流流速大，在水體中層超過1 m/s，此時(shí)中層絮團(tuán)破碎，表底層絮團(tuán)粒徑維持在200 μm，底層含沙量隨著泥沙起動(dòng)增大到100 mg/L，有利于底層絮團(tuán)的發(fā)育；漲平時(shí)(22.87日)絮團(tuán)發(fā)育特征與落憩時(shí)一致，主要由較弱的水動(dòng)力和高泥沙體積濃度控制；落急時(shí)(22.91日)水流流速大，垂向混合均勻，因此絮團(tuán)基本不發(fā)育。

圖11 大潮特征時(shí)刻絮凝動(dòng)力變化圖Fig.11 Vertical distribution of hydrodynamic and sediment characteristic at representative time during spring tide

圖12 小潮特征時(shí)刻絮凝動(dòng)力變化圖Fig.12 Vertical distribution of hydrodynamic and sediment characteristic at representative time during neap tide

圖13 觀測期流速、泥沙體積濃度、平均粒徑三相圖Fig.13 Interaction between velocity，sediment volume concentration and floc size

與大潮時(shí)絮團(tuán)發(fā)育特征不同，小潮時(shí)絮團(tuán)發(fā)育主要與鹽度分層導(dǎo)致的泥沙體積濃度分層有關(guān)。落憩時(shí)(28.45日)，水流弱，絮團(tuán)粒徑呈表底層小，中層大的分布；漲平時(shí)(28.37日)，水流弱但鹽度高度分層，表中層泥沙體積濃度增大，此處絮團(tuán)發(fā)育明顯；在漲急(28.33日)和落急(28.41日)時(shí)，雖然水流流速大，但鹽度分層較明顯，中底層泥沙體積濃度大，絮團(tuán)仍發(fā)育明顯，最大粒徑超過200 μm(圖12)。

在眾多影響河口泥沙絮凝的物理因素中，其水流動(dòng)力和泥沙條件影響最為顯著。如圖13黑線所示，當(dāng)水流流速介于0.2～0.5 m/s之間時(shí)，其絮凝體平均粒徑最大，且隨著泥沙體積濃度增大而增大；若流速很小時(shí)(小于0.2 m/s)，水流過于平緩，其泥沙顆粒之間相互作用弱，不利于絮凝體發(fā)育；若流速很大時(shí)(大于0.9 m/s)，水流紊動(dòng)太強(qiáng)，絮凝體容易破碎，導(dǎo)致粒徑減小。圖13藍(lán)線則表示，當(dāng)泥沙體積濃度(小于500 μL/L)很少時(shí)，水流動(dòng)力對絮凝影響不大，其粒徑在100 μm以下變動(dòng)；隨著泥沙含量增多，平均粒徑最大值出現(xiàn)在流速范圍為0.2～0.5 m/s的區(qū)間；當(dāng)泥沙體積濃度更大時(shí)，流速對絮凝的影響較小，說明其鹽度分層引起的泥沙分層的影響更為顯著。

5 結(jié)論

本文利用2013年7月22-29日的流速、波浪、鹽度、含沙量、濁度、懸沙粒徑等大小潮數(shù)據(jù)，對伶仃洋河口夏季的泥沙絮凝現(xiàn)象及影響因素進(jìn)行研究，得出如下主要結(jié)論：

(1)伶仃洋河口在洪季有明顯的泥沙絮凝現(xiàn)象產(chǎn)生，在觀測時(shí)期內(nèi)，大潮絮團(tuán)平均粒徑為141.12 μm，小潮絮團(tuán)平均粒徑為160 μm，均比實(shí)驗(yàn)室分散粒徑(36.74 μm)大了一個(gè)量級。絮團(tuán)的形成、發(fā)育、破碎過程復(fù)雜，不同水層與不同時(shí)刻的絮團(tuán)特征不同，小潮絮團(tuán)粒徑大于大潮，垂向上表底層絮團(tuán)粒徑小，中層大。

(2)絮團(tuán)沉速與有效密度、絮團(tuán)粒徑呈正相關(guān)，絮團(tuán)平均有效密度為153.49 kg/m3，絮團(tuán)平均沉速達(dá)1.13 mm/s；垂向上，中層水體的絮團(tuán)沉速因絮團(tuán)粒徑較大、懸沙含量高、絮團(tuán)有效密度大而大于表、底層。

(3)低剪切強(qiáng)度(小于5 s-1)與低懸沙量(小于50 mg/L)有利于細(xì)顆粒泥沙之間的相互碰撞，促進(jìn)絮凝作用，當(dāng)剪切強(qiáng)度與顆粒間碰撞強(qiáng)度高于絮團(tuán)所能承受的強(qiáng)度時(shí)，絮團(tuán)易破碎分解成小絮團(tuán)或更細(xì)的泥沙顆粒。鹽度對絮凝作用的影響主要體現(xiàn)在鹽度分層時(shí)的水體中，特別是在小潮時(shí)期更為顯著，層化作用引起的泥沙捕獲作用使鹽躍層泥沙體積濃度增大，有利于絮凝體的生長，中層水體的絮團(tuán)粒徑增大。河口區(qū)波高較大(約0.4 m)的波浪增強(qiáng)了水體細(xì)顆粒泥沙的碰撞幾率，絮團(tuán)粒徑隨波高峰值的出現(xiàn)而增大。

[1] 時(shí)鐘. 河口海岸細(xì)顆粒泥沙物理過程[M]. 上海: 上海交通大學(xué)出版社, 2013:69.

Shi Zhong. Physical Process of Fine Sediment in Estuarine Coast[M]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University Press, 2013:69.

[2] 唐建華.長江口及其鄰近海域粘性細(xì)顆粒泥沙絮凝特性研究[D]. 上海: 華東師范大學(xué), 2007.

Tang Jianhua. Characteristics of fine cohesive sediment’s flocculation in the Changjiang Estuary and its adjacent sea area[D]. Shanghai: East China Normal University, 2007.

[3] 劉啟貞, 長江口細(xì)顆粒泥沙絮凝主要影響因子及其環(huán)境效應(yīng)研究[D]. 上海: 華東師范大學(xué), 2007.

Liu Qizhen. Study on the flocculation parameters of fine sediments and the environmental effects in the Changjiang Estuary[D]. Shanghai: East China Normal University, 2007.

[4] 楊靚青, 王初, 任杰, 等. 細(xì)顆粒泥沙絮凝現(xiàn)象研究綜述[J]. 水道港口, 2008(3): 158-165.

Yang Liangqing, Wang Chu, Ren Jie, et al. Review on flocculation of fine suspended sediments[J]. Journal of Waterway and Harbor, 2008(3): 158-165.

[5] Abel J S, Stangle G C, Schilling C H, et al. Sedimentation in flocculating colloidal suspensions[J]. Journal of Materials Research, 1994, 9(2): 451-461.

[6] 張金鳳, 張慶河, 喬光全. 水體紊動(dòng)對黏性泥沙絮凝影響研究[J]. 水利學(xué)報(bào), 2013(1): 67-72.

Zhang Jinfeng, Zhang Qinghe, Qiao Guangquan, The effects of turbulence on flocculation of cohesive sediments[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2013(1): 67-72.

[7] 柴朝暉, 楊國錄, 王茜, 等. 紊流對粘性細(xì)顆粒泥沙絮凝影響[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2012(6): 808-814.

Chai Zhaohui, Yang Guolu, Wang Qian, et al. Effect of turbulent flow on flocculation of fine cohesive sediment[J]. Advances in Water Science, 2012(6): 808-814.

[8] Markussen T N, Andersen T J. Flocculation and floc break-up related to tidally induced turbulent shear in a low-turbidity, microtidal estuary[J]. Journal of Sea Research, 2014, 89: 1-11.

[9] 張志忠, 王允菊, 徐志剛. 長江口細(xì)顆粒泥沙絮凝若干特性探討[C]//第二屆河流泥沙國家學(xué)術(shù)討論會論文集. 北京:水利電力出版社,1983:274-285.

Zhang Zhizhong, Wang Yunju, Xu Zhigang.Discussion on some flocculating characteristics of fine sediment in Yangtze Estuary[C]//Proceedings of the Second National Symposium on River Sediment. Beijing:China Water & Power Press,1983:274-285.

[10] 關(guān)許為, 陳英祖, 杜心慧. 長江口絮凝機(jī)理的試驗(yàn)研究[J]. 水利學(xué)報(bào), 1996(6): 70-74.

Guan Xuwei, Chen Yingzu, Du Xinhui. Experimental study on mechanism of flocculation in Yangtze estuary[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1996(6): 70-74.

[11] Manning A J, Dyer K R. A laboratory examination of floc characteristics with regard to turbulent shearing[J]. Marine Geology, 1999, 160: 147-170.

[12] Manning A J, Langston W J, Jonas P J C. A review of sediment dynamics in the Severn Estuary: Influence of flocculation[J]. Marine Pollution Bulletin, 2010, 61(1/3): 37-51.

[13] 蔣國俊, 姚炎明, 唐子文. 長江口細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降影響因素分析[J]. 海洋學(xué)報(bào), 2002, 24(4): 51-57.

Jiang Guojun, Yao Yanming, Tang Ziwen. The analysis for influencing factors of fine sediment flocculation in the Changjiang Estuary[J]. Haiyang Xuebao, 2002, 24(4): 51-57.

[14] 關(guān)許為, 陳英祖. 長江口泥沙絮凝靜水沉降動(dòng)力學(xué)模式的試驗(yàn)研究[J]. 海洋工程, 1995, 13(1): 46-50.

Guan Xuwei, Chen Yingzu. Experrimental study on dynamic formula of sand coagulation sinking in stationary[J].The Ocean Engineering, 1995,13(1):46-50.

[15] 楊揚(yáng), 龐重光, 金鷹, 等. 長江口北槽黏性細(xì)顆粒泥沙特征的試驗(yàn)研究[J]. 海洋科學(xué), 2010, 34(1): 18-23.

Yang Yang, Pang Chongguang, Jin Ying, et al. Experimental study on characteristics of cohesive sediment in north passage of the Yangtze River(Changjiang) Estuary[J]. Marine Sciences, 2010, 34(1): 18-23.

[16] 程江, 何青, 王元葉. 利用LISST觀測絮凝體粒徑、有效密度和沉速的垂線分布[J]. 泥沙研究, 2005(1): 33-39.

Cheng Jiang, He Qing, Wang Yuanye. Using LISST-100 for in-situ estimates of floc size, density and settling velocity, Changjiang Estuary,China[J]. Journal of Sediment Research, 2005(1): 33-39.

[17] 程江, 何青, 王元葉, 等. 長江河口細(xì)顆粒泥沙絮凝體粒徑的譜分析[J]. 長江流域資源與環(huán)境, 2007, 14(4): 460-464.

Cheng Jiang, He Qing, Wang Yuanye, et al. Spectrum analysis of flocs diameter in the Changjiang Estuary[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2007, 14(4): 460-464.

[18] 夏小明, 李炎, 楊輝, 等. 枯季珠江河口懸浮泥沙絮凝沉降特征的觀測與分析[J]. 海洋學(xué)研究, 2006, 24(1): 6-18.

Xia Xiaoming, Li Yan,Yang Hui, et al. Observations of the size and settling velocity distributions of suspended sediment in the Zhujiang River Estuary during dry season[J]. Journal of Marine Sciences, 2006, 24(1): 6-18.

[19] 鄧智瑞, 何青, 楊清書, 等. 珠江口磨刀門泥沙絮凝特征[J]. 海洋學(xué)報(bào), 2015, 37(9): 152-161.

Deng Zhirui, He Qing, Yang Qingshu, et al. Observations of in situ flocs characteristic in the Modaomen Estuary of the Pearl River[J]. Haiyang Xuebao, 2015, 37(9): 152-161.

[20] Pejrup M, Mikkelsen O A. Factors controlling the field settling velocity of cohesive sediment in estuaries[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2010, 87(2): 177-185.

[21] Mikkelsen O, Pejrup M. The use of a LISST-100 laser particle sizer for in-situ estimates of floc size, density and settling velocity[J]. Geo-Marine Letters, 2001, 20(4): 187-195.

[22] Ren J, Wu J. Sediment trapping by haloclines of a river plume in the Pearl River Estuary[J]. Continental Shelf Research, 2014, 82: 1-8.

[23] 阮文杰. 細(xì)顆粒泥沙動(dòng)水絮凝的機(jī)理分析[J]. 海洋科學(xué), 1991(5): 46-49.

Ruan Wenjie. Mechanistic analysis on hydrodynamic flocculation on fine sediments[J]. Marine Sciences, 1991(5): 46-49.

[24] Manning A J, Dyer K R, Lafite R, et al. Flocculation measured by video based instruments in the Gironde Estuary during the European Commission SWAMIEE project[J]. Journal of Coastal Research, 2004, 41: 58-69.

[25] Manning A J, Schoellhamer D H. Factors controlling floc settling velocity along a longitudinal estuarine transect[J]. Marine Geology, 2013, 345: 266-280.

劉斌. 南海北部陸坡東沙海域海底丘狀體氣體與水合物分布[J]. 海洋學(xué)報(bào), 2017, 39(3): 68-75, doi: 10.3969/j.issn.0253-4193.2017.03.006

Liu Bin. Gas and gas hydrate distribution around seafloor mound in the Dongsha area, north slope of the South China Sea[J]. Haiyang Xuebao, 2017, 39(3): 68-75, doi: 10.3969/j.issn.0253-4193.2017.03.006

Study on the flocs characteristic and dynamics effects in the Lingdingyang Estuary

Tian Feng1, Ou Suying1, Yang Hao1, Liu Feng1

(1.InstituteofEstuarineandCoastalResearch,SchoolofMarineSciences,SunYat-SenUniversity,Guangzhou510006,China)

Flocculation plays an important role at the behavior of fine sediment in estuary. During 22-29 of July, 2013, the suspended sediment concentration, size of floc, tidal current, salinity and wave were observed in Lingdingyang Estuary by LISST-100 together with other instruments. Based on these situ data and laboratory analysis of dispersed suspended sediment, the characteristics of sediment flocculation and the influences of dynamic factors on flocculation were studied. The results show that there were obvious flocculation at observed filed of Lingdingyang Estuary, which the mean situ floc size is 148.53 μm, larger than the mean size of laboratory dispersed sediment particles (36.74 μm). The settling velocity was positively correlated with effective density and floc size, while the effective density of floc in Lingdingyang Estuary was about 153.49 kg/m3, and the average settling velocity reached 1.13 mm/s; floc size in flood and neap tide was larger than ebb and spring tide, the flocculation in middle water column was greater than upper water and bottom water. The effects of turbulent shear, suspended sediment concentration, salinity stratification and wave on flocculation in Lingdingyang Estuary were considered. The in situ data shows that under low turbulent shear (<5 s-1), low suspended sediment concentration (<50 mg/L) and high volume concentration, promoted the flocculation, and floc would break-up when strength of turbulent shear and particles collision were greater than strength floc can withstand. Salinity stratification result in volume concentration increased rapidly in the middle water column due to sediment trapping, which promote flocculation. The increase of short wind wave also help the flocculation at upper water during in observation period.

Lingdingyang Estuary; flocculation; settling velocity; salinity stratification; waves; turbulent shear strength

2016-06-18；

2016-09-09。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41106015, 41476073)；科技部科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目“中國典型河口動(dòng)力沉積地貌本底數(shù)據(jù)調(diào)查”(2013FY112000)。

田楓(1992—)，男，湖南省常德市人，主要從事河口海岸水文泥沙研究。E-mail: tianf3@mail2.sysu.edu.cn

*通信作者：歐素英(1974—)，女，湖南省祁陽縣人，博士，主要從事河口海岸水文、動(dòng)力、沉積過程研究。E-mail：ousuying@mail.sysu.edu.cn

P737.14

A

0253-4193(2017)03-0055-13